Étude de l'injection d'air à travers des fentes dans un écoulement d'eau transverse

Ce mémoire étudie l'injection d'air à travers des fentes de formes différentes dans un écoulement d'eau transverse. Peu d'informations sont disponibles à ce sujet quand bien même l'injection d'air a déjà été largement étudiée pour des eaux stagnantes et pour de faibles débits d'injection d'air pour des injecteurs circulaires. L'objectif de ce projet est de déterminer les conditions optimales d'injection d'oxygène dans les conduites des centrales hydroélectriques. L'intention est d'éviter d'affecter négativement la vie aquatique en aval des centrales causée par l'appauvrissement en oxygène de l'eau rejetée. Pour mener à bien la recherche sur ce sujet, il est nécessaire d'injecter un grand débit d'air dans un écoulement d'eau. L'étude présentée ici vient compléter des travaux précédents. Elle consiste à prendre des mesures dans les installations expérimentales qui permettent d'injecter de l'air à débit réglable à travers des fentes interchangeables dans un écoulement d'eau dont on peut également contrôler le débit. Les mesures sont effectuées grâce à l'insertion d'une sonde optique dans l'écoulement. Les résultats obtenus à l'aide de la sonde optique permettent d'étudier la vitesse et la taille des bulles ainsi que le taux de vide. L'analyse des données met en avant l'augmentation de la vitesse des bulles le long de l'écoulement. Les distributions des tailles et vitesses des bulles suivent des loi log-normales. De plus, le nuage de bulles est stratifié; les grosses bulles s'élèvent vers le haut du nuage tandis que les plus petites restent proches de la paroi inférieure. Des bulles plus grosses et plus rapides sont obtenues en augmentant le débit d'air à débit d'eau constant et faible. Ensuite, les graphes montrent une diminution du taux de vide local en s'éloignant de l'injection. Ces résultats sont complétés par le Krigeage qui est une méthode d'interpolation qui permet de tracer les cartes de taux de vide dans toute la veine à partir de quelques plans de mesures. Les différentes conclusions de cette étude permettent de faire un pas de plus vers la compréhension du comportement de l'écoulement diphasique dans la veine d'essai, compréhension encore largement incomplète. Pour limiter le côté chrono-phage de la prise de mesure, une nouvelle version motorisée de la sonde optique a été conçue, fabriquée et testée. Elle permet, ainsi que tous les travaux effectués, de donner les outils pour les prochaines expériences à effectuer dans le laboratoire expérimental de grande hauteur. Celui-ci permettra d'aller à des vitesses d'écoulement beaucoup plus grandes que celles testées dans cette maîtrise.

Abstract

This thesis presents work related to the injection of air through different slot geometries in a cross-flow. The project aims to optimize the injection of air in hydraulic turbines to meet the national and international standards with regards to water aeration. These standards aim at ensuring that released water from hydroelectric plants to be depleted in oxygen and affect aquatic life. To study this topic, an existing experimental set-up was used for various water and air flow rates. Two different slot geometries were tested for one flow speed. Measurements of the pressure in the injection chamber and the test section were possible. An optical probe was used to determine void fraction but also bubble sizes and velocities on three different planes transverse to the flow downstream of the injection site. Different results were analyzed and many conclusions drawn. First of all, the air passing through the slot experiences a pressure change that scales to the cube of the air flow rate whether there is water or not on the other side. The multiplying factor changes with the geometry of the injection. Moreover, bubble speed and size follow log-normal distributions. The size of bubbles increases with an increase in the air flow rate. Bigger bubbles travel faster than small ones ; they also tend to rise to the top of bubble plume while small bubbles stay in the lower section. The maps of void fraction show that its local values decrease for a smaller air flow rate. Those values also drop while moving away from the injection slot. Due to the time-consuming aspect of the measurements, a new motorized version of the optical probe was designed, manufactured and tested. It is also adapted to the test sections of the new laboratory where high-speed flows can be tested.